Monografia de Motor Otto

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MOTOR OTTO MONOGRAFÍA DEL CURSO DE TERMODINÁMICA

GRUPO 6: -

Julio Cesar Salazar Vásquez

Profesor: Cesar Ugarte

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÌA MECÁNÍCA

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CONTENIDO CAPITULO I.........................................................................................4 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA DE CUATRO TIEMPOS.......................4 1.1.

NOMENCLATURA DE LA PARTES DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN

DE 4 TIEMPOS.................................................................................................... 4 1.2.

TERMINOLOGÍA USADA PARA ALGUNAS DIMENSIONES

FUNDAMENTALES...............................................................................................5 CAPITULO II........................................................................................7 MARCO TEÓRICO.................................................................................7 2.1.

HISTORIA................................................................................................7

2.2.

CICLO OTTO TEÓRICO.............................................................................8

2.3.

TIEMPOS DE TRABAJO.............................................................................9

2.3.1. PRIMER TIEMPO: ADMISIÓN....................................................................9 2.3.2. SEGUNDO TIEMPO: COMPRESIÓN...........................................................9 2.3.3. TERCER TIEMPO: TRABAJO O EXPLOSIÓN................................................9 2.3.4. CUARTO TIEMPO: ESCAPE.....................................................................10 2.4.

DIAGRAMA DE P-V PARA EL MOTOR OTTO.............................................11

2.5.

EFICIENCIA EN FUNCIÓN DEL CALOR....................................................12

2.5.1. INTERCAMBIO DE CALOR......................................................................12 2.5.2. TRABAJO REALIZADO............................................................................13 2.5.3. RENDIMIENTO.......................................................................................14 2.6.

EFICIENCIA EN FUNCIÓN DE LAS TEMPERATURAS.................................14

2.7.

EFICIENCIA EN FUNCIÓN DE LA RAZÓN DE COMPRESIÓN.....................15

2.8.

COMPARACIÓN DE LOS MOTORES OTTO Y DIESSEL TEÓRICOS.............16

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INTRODUCCIÓN El motor de combustión interna de tipo Otto depende del motor y de los sistemas de apoyo. La comodidad y conveniencia que se experimentan al conducir, dependen del funcionamiento de los sistemas del vehículo. Esta monografía trata de los principios de operación, diseño del motor, presenta los sistemas que son necesarias para apoyar la operación del motor, y presenta la comparación entre el motor Otto y el motor Diesel teorico. El contenido de este trabajo comprende información teórica acerca del funcionamiento del motor de combustión interna de cuatro tiempos del tipo Otto. Los temas desarrollados, están leguaje sencillo, guardan relación estrecha unos con otros, para permitir que el participante asimile con facilidad, a la vez que, con las ilustraciones se logre relevar detalles principales de un motor. También consideramos las ventajas y desventajas de este tipo de motores.

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CAPITULO I MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA DE CUATRO TIEMPOS

1.1. NOMENCLATURA DE LA PARTES DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN DE 4 TIEMPOS Estas partes en líneas generales son:

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EL CILINRO, dentro del cual se mueve el pistón con movimiento rectilíneo alternativo, forma parte en los motores pluricilíndricos, del bloque de cilindros. Este, que normalmente se fabrica unido a la bancada, se puede considerar como la estructura soporte del motor. En algunos modelos de motores el bloque de cilindros se fabrica separada



de la bancada, a la cual se une mediante espárragos. LA CULATA, constituye la parte superior del cilindro, al cual cierra dejando un volumen comprendido entre ella y el pistón que se denomina cámara de combustión o de compresión en la cual se quema el fluido activo. Antes, en el motor de encendido por bujía, esta mezcla se formaba en el carburador y entrada en el cilindro a través del conducto de admisión y de la válvula de aspiración. La válvula mariposa del carburador servía para regular la cantidad de mezcla entrante. Hoy el combustible es inyectado a baja presión en el conducto de admisión, y recientemente, algunas marcas inyectan a baja presión en el interior del cilindro. En los motores de encendido por chispa se inicia la combustión al saltar la chispa entre los electrodos de la bujía, mientras que en los motores de encendido por compresión el encendido es espontáneo al entrar combustible finamente pulverizado por el inyector



en el interior del cilindro cuando su presión es elevada. EL PISTÓN, dotado de segmentos que impiden la fuga de gas entre él y el cilindro, transmite el empuje de dicho gas, a través del perno o bulón,



a la biela, y de ésta, a la manivela del cigüeñal. LA BIELA Y LA MANIVELA, constituyen un sistema mecánico que transforma el movimiento lineal alternativo del pistón en movimiento de

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giro del cigüeñal, el cual para reducir el rozamiento gira sobre los 

cojinetes de bancada. LOS COLECTORES DE ADMISIÓN Y EL E ESCAPE, son los conductores a través de los cuales se carga y se descarga el fluido



operante del interior del cilindro. LAS VÁLVULAS DE ASPIRACIÓN Y DE ESCAPE, accionadas por un sistema mecánico denominado distribución, que son mantenida en un asiento por la acción de su correspondiente muelle, abren y cierra el cilindro permitiendo que los gases frescos y quemados entren y salgan de él en los momentos oportunos.

1.2. TERMINOLOGÍA

USADA

PARA

ALGUNAS

DIMENSIONES

FUNDAMENTALES Para el estudio de los motores endotérmicos es necesario conocer la terminología universalmente usada hoy para indicar algunas dimensiones y valores fundamentales.  PUNTO MEDIO SUPERIOR (P.M.S), posición del pistón más próxima 

a la culata. PUNTO MEDIO INFERIOR (P.M.I), posición del pistón más alejada de



la culata. CALIBRE, diámetro interior del cilindro expresado generalmente en

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milímetros (mm). CARRERA, distancia entre el punto medio superior y el punto medio inferior, es igual, salvo raras excepciones, al doble del radio de la

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manivela del eje de cigüeñales. Se expresa generalmente en mm. VOLUMEN TOTAL DEL CILINDRO (V1), es el espacio comprendido entre la culat y el pistón cuando éste se halla en el P.M.I. Viene



expresado por lo general en cm3. VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMPRESIÓN (V 2), es el volumen comprendido entre la culat y el pistón cuando este se halla en el P.M.S



Suele expresarse en cm3. CILINDRADA (V1-V2), es el generado por el pistón en su movimiento alternativo desde el P.M.S. hasta el P.M.I. Se expresa, por lo común, en cm3.

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

RELACIÓN DE COMPRESIÓN (ρ), se entiende por tal, la relación que hay entre el volumen total del cilindro V1 y el volumen de la cámara de combustión V2. Se representa por ρ y se calcula: V ρ= 1 V2

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CAPITULO II MARCO TEÓRICO

2.1. HISTORIA  1769 Nicolaus Cugnot (Francés) , automóvil impulsado por una 

máquina de vapor 1876 Nicolaus August Otto (Alemán), El primer motor a gas de cuatro



tiempos 1884 Nicolaus Otto ( Alemán), El primer motor de encendido por

  

magneto de baja tensión 1893 Henry Ford ( EE.UU.), el primer vehículo con motor a gasolina 1897 Rodolfo Diesel (Alemán), el primer motor Diesel 1902 Robert Bosch (Alemán), el primer motor de encendido por

      

magneto de alta presión 1909 Otto Boilohals (Alemán), el primer tractor con motor Diesel 1928 Rasmussen (Francés), automóvil de dos tiempos bicilíndricos 1950 Rover (Alemán), Automóvil con motor de turbina 1951 Robert Bosch (Alemán) , sistema de inyección a gasolina 1957 NSU/Félix Wankel (Alemán), motor con émbolo rotativa 1967 Robert Bosch (Alemán), Inyección electrónica de gasolina 1985 Robert Bosch ( Alemán), El primer motor EDC1991 Robert Bosch



, motor mediante CAN ( control de area normal) 1995 Bosch ( Alemán), sistema common Rail motor Diesel

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Figura 1. Nicolaus Otto.

2.2. CICLO OTTO TEÓRICO Este motor, también conocido como motor Otto, es el más empleado en la actualidad, y realiza la transformación de energía calorífica en mecánica fácilmente utilizable en cuatro fases, durante las cuales un pistón que se desplaza en el interior de un cilindro efectúa cuatro desplazamientos o carreras alternativas y, gracias a un sistema biela-manivela, transforma el movimiento lineal del pistón en movimiento de rotación del árbol cigüeñal, realizando este dos vueltas completas en cada ciclo de funcionamiento. Como se ha dicho la entrada y salida de gases en el cilindro es controlada por dos válvulas situadas en la cámara de combustión, las cuales su apertura y cierre la realizan por el denominado sistema de distribución, sincronizado con el movimiento de giro del árbol. El funcionamiento teórico de este tipo de motor, durante sus cuatro tiempos o fases de trabajo, es el siguiente: 2.3. TIEMPOS DE TRABAJO

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El funcionamiento teórico de este tipo de motor, durante sus cuatro tiempos o fases de trabajo, es el siguiente: 2.3.1. PRIMER TIEMPO: ADMISIÓN Durante este tiempo el pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) y efectúa su primera carrera o desplazamiento lineal. Durante este desplazamiento el cigüeñal realiza un giro de 180°. Cuando comienza esta fase se supone que instantáneamente se abre la válvula de admisión y mientras se realiza este recorrido, la válvula de admisión permanece abierta y, debido a la depresión o vacío interno que crea el pistón en su desplazamiento, se aspira una mezcla de aire y combustible, que pasa a través del espacio libre que deja la válvula de aspiración para llenar, en teoría, la totalidad del cilindro. 2.3.2. SEGUNDO TIEMPO: COMPRESIÓN En este tiempo el pistón efectúa su segunda carrera y se desplaza desde el punto muerto inferior (PMI) al punto medio superior (PMS). Durante este recorrido la muñequilla del cigüeñal efectúa otro giro de 180°. Logrando así un total girado por el cigüeñal de 360°. Durante esta fase las válvulas permanecen cerradas. El pistón comprime la mezcla, la cual queda alojada en el volumen de la cámara de combustión, también llamada de compresión, situada por encima del PMS, ocupando un volumen V2. 2.3.3. TERCER TIEMPO: TRABAJO O EXPLOSIÓN Cuando el pistón llega al final de la compresión, entre los electrodos de una bujía, salta una chispa eléctrica en el interior de la cámara de combustión que produce la ignición de la mezcla, con lo cual se origina la inflamación y combustión de la misma. Durante este proceso se libera la energía calorífica del combustible, lo que produce una elevada temperatura en el interior del cilindro, con lo que a energía cinética de las moléculas aumenta considerablemente y, al chocar éstas contra la cabeza del pistón, generan la fuerza de empuje que hace que le pistón se desplace hacia el PMI.

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Durante esta carrera, que es la única que realiza trabajo, se produce la buscada transformación de energía. La presión baja rápidamente por efecto del aumento de volumen y disminuye la temperatura interna a la expansión. Al llegar el pistón al PMI se supone que instantáneamente se abre la válvula de escape. Total girado por el cigüeñal 540°.

2.3.4. CUARTO TIEMPO: ESCAPE En este tiempo el pistón realiza su cuarta carrera o desplazamiento desde el PMI al PMS, y el cigüeñal gira otros 180°. Durante este recorrido del pistón, la válvula de escape permanece abierta. A través de ella, los gases quemados procedente de la combustión salen a la atmósfera, al principio en “estampida” por estar a elevada presión en el interior del cilindro, y el resto empujado por el pistón en su desplazamiento hacia el PMS. Cuando el pistón llega al PMS se supone que instantáneamente se cierra la válvula de escape y simultáneamente se abre la válvula de admisión. Total girado por el cigüeñal 720°. Aunque efectos de explicación los hemos separado totalmente los ciclos de escape y admisión coinciden por un breve periodo de tiempo, en dicho momento tanto la válvula de admisión y de escape están abiertas originando así los que se conoce como CRUCE DE VÁLVULAS.

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Figura 2. Fases del motor de combustión.

2.4. DIAGRAMA DE P-V PARA EL MOTOR OTTO. El ciclo Otto teórico representado gráficamente en un diagrama P-V, se puede considerar ejecutado según las transformaciones termodinámicas que se presentan a continuación: 0-1: ADMISIÓN (ISÓBARA), Se supone que la circulación de los gases desde la atmósfera al interior del cilindro se realiza sin rozamiento, con lo que no hay perdida de carga y, por tanto, la presión en el interior del cilindro durante toda esta carrera se mantiene constante e igual a la atmósfera. 1-2: COMPRESIÓN (ADIABÁTICA), se supone que, como se realiza muy rápidamente, el fluido operante no intercambia calor con el medio exterior, por lo que la transformación puede ser considerada a calor constante. 2-3: COMBUSTIÓN (ISÓCORA), se supone que la salta la chispa y se produce una combustión instantánea del combustible, produciendo una cantidad de calor Q1. Al ser tan rápida se puede suponer que el pistón no se ha desplazado, por lo que el volumen durante la transformación se mantiene constante. 3-4: TRABAJO (ADIABÁTICA), se supone que debido a la rapidez de giro del motor los gases quemados no tienen tiempo para intercambiar calor con el medio exterior, por lo que se puede considerar que sufren una transformación a calor constante. 4-1: PRIMERA FASE DEL ESCAPE (ISÓCORA), se supone una apertura instantánea de la válvula de escape, lo que genera una salida tan

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súbita de gases del interior del cilindro y una pérdida de calor Q2, que permite considerar una transformación a volumen constante. 1-0: SEGUNDA FASE DEL ESCAPE (ISÓBARA), el pistón al desplazarse hacia el PMS provoca la expulsión de gases remanentes en el interior del cilindro, y se supone que los gases quemados no ofrecen resistencia alguna para salir a la atmósfera, por lo que la presión en el interior del cilindro se mantiene constante e igual a la atmosférica.

Figura 3. Diagrama P-V del ciclo teórico de Otto.

2.5. EFICIENCIA EN FUNCIÓN DEL CALOR Al analizar el ciclo Otto ideal, podemos despreciar en el balance los procesos de admisión y de escape a presión constante A→E y E→A, ya que, al ser idénticos y reversibles, en sentido opuesto, todo el calor y el trabajo que se intercambien en uno de ellos, se cancela con un término opuesto en el otro. 2.5.1. INTERCAMBIO DE CALOR De los cuatro procesos que forman el ciclo cerrado, no se intercambia calor en los procesos adiabáticos A→B y C→D, por definición. Sí se intercambia en los dos procesos isócoros. En la ignición de la mezcla B→C, una cierta cantidad de calor Qc (procedente de la energía interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a volumen constante, el calor coincide con el aumento de la energía interna

El subíndice "c" viene de que este calor se intercambia con un supuesto foco caliente.

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En la expulsión de los gases D→A el aire sale a una temperatura mayor que a la entrada, liberando posteriormente un calor | Q f | al ambiente. En el modelo de sistema cerrado, en el que nos imaginamos que es el mismo aire el que se comprime una y otra vez en el motor, modelamos esto como que el calor | Qf| es liberado en el proceso D→A, por enfriamiento. El valor absoluto viene de que, siendo un calor que sale del sistema al ambiente, su signo es negativo. Su valor, análogamente al caso anterior, es: El subíndice "f" viene de que este calor se cede a un foco frío, que es el ambiente. 2.5.2. TRABAJO REALIZADO De forma opuesta a lo que ocurre con el calor, no se realiza trabajo sobre el sistema en los dos procesos isócoros. Sí se realiza en los dos adiabáticos. En la compresión de la mezcla A→B, se realiza un trabajo positivo sobre el gas. Al ser un proceso adiabático, todo este trabajo se invierte en incrementar la energía interna, elevando su temperatura:

En la expansión C→D es el aire el que realiza trabajo sobre el pistón. De nuevo este trabajo útil equivale a la variación de la energía interna

este trabajo es negativo, por ser el sistema el que lo realiza. El trabajo útil realizado por el motor será el trabajo neto entregado, igual a lo que produce (en valor absoluto) menos lo que emplea en funcionar Por tratarse de un proceso cíclico, la variación de la energía interna es nula al finalizar el ciclo. Esto implica que el calor neto introducido en el sistema debe ser igual al trabajo neto realizado por este, en valor absoluto. como se comprueba sustituyendo las relaciones anteriores. 2.5.3. RENDIMIENTO El rendimiento (o eficiencia) de una máquina térmica se define, en general como “lo que sacamos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, lo que sacamos es el trabajo neto útil, | W | . Lo que nos cuesta es el calor Qc, que introducimos en la combustión. No podemos restarle el calor | Qf | ya que

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ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado (lo que violaría el enunciado de Kelvin-Planck). Por tanto

Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores

Esta es la expresión general del rendimiento de una máquina térmica.

2.6.

EFICIENCIA EN FUNCIÓN DE LAS TEMPERATURAS Sustituyendo las expresiones del calor que entra en el sistema, | Qc | , y el que sale de él, | Qf | , obtenemos la expresión del rendimiento

Vemos que el rendimiento no depende de la cantidad de aire que haya en la cámara, ya que n se cancela. Podemos simplificar estas expresiones observando que B→C y D→A son procesos isócoros, por lo que y que A→B y C→D son adiabáticos, por lo que cumplen la ley de Poisson (suponiéndolos reversibles) con γ = 1.4 la relación entre las capacidades caloríficas a presión constante y a volumen constante. Sustituyendo la igualdad de volúmenes y dividiendo la segunda por la primera, obtenemos la igualdad de proporciones

Restando la unidad a cada miembro

Intercambiando el denominador del primer miembro, con el numerador del último llegamos a

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y obtenemos finalmente el rendimiento

esto es, la eficiencia depende solamente de la temperatura al inicio y al final del proceso de compresión, y no de la temperatura tras la combustión, o de la cantidad de calor que introduce ésta. Puesto que TB < TC, siendo TC la temperatura máxima que alcanza el aire, vemos ya que este ciclo va a tener un rendimiento menor que un ciclo de Carnot que opere entre esas las temperaturas TA y TC.

2.7.

EFICIENCIA EN FUNCIÓN DE LA RAZÓN DE COMPRESIÓN

Figura 4. Eficiencia en función de la compresión.

Aplicando de nuevo la relación de Poisson podemos expresar el rendimiento como

con r = VA / VB la razón de compresión entre el volumen inicial y el final. La eficiencia teórica de un ciclo Otto depende, por tanto, exclusivamente de la razón de compresión. Para un valor típico de 8 esta eficiencia es del 56.5%.

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2.8. COMPARACIÓN DE LOS MOTORES OTTO Y DIESSEL TEÓRICOS Los motores Otto y Diesel, que tienen una forma constructiva, una disposición de elementos y funcionamiento semejantes, se diferencian esencialmente por su sistema de alimentación y por su combustión. - La alimentación en los motores de tipo Otto se realiza introduciendo una mezcla aire-combustible en el interior del cilindro durante la admisión. Esta mezcla, una vez comprimida, se incendia por medio de una chispa eléctrica, lo que origina una combustión suave y progresiva. En los motores Diesel el llenado de los cilindros se realiza solamente con aire, introduciendo el combustible a alta presión el cual arde espontáneamente al ponerse en contacto con el aire previamente comprimido, cuya temperatura está por encima del punto de inflamación del combustible, haciéndolo bruscamente, lo que produce la trepidación característica de estos motores, la cual es cada vez más reducida por los nuevos sistemas -

de inyección a muy alta presión y multipunto. Los motores Otto no pueden trabajar con grandes relaciones de compresión. El valor máximo queda limitado a una relación de 9/1 a 10/1 para que la temperatra alcanzada en la compresión no rebase el punto de inflamación de la mezcla y se produzca el autoencendido. En los motores Diesel es necesaria una elevada relación de compresión, del orden 22/1 a 24/1, para conseguir las temperaturas adecuadas en el interior del cilindro, con objeto de que se produzca la autoinflamación del combustible al ser inyectado. Este grado de compresión hace que las presiones de trabajo sean muy elevadas por lo que deben estar constituidos por elementos muy resistentes que soporten grande cargas, lo que hace que sean más pesados y lentos. Como se vió el rendimiento térmico en ambos motores es función de la relación de compresión y, al ser más alto en los motores Diesel, el aprovechamiento de la energía del

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combustible es mayor en ellos que en los de ciclo Otto. Debido a la forma de realizar la mezcla, los motores de tipo Otto necesitan utilizar combustibles ligeros y fácilmente vaporizables con el objeto de obtener una buena mezcla aire-combustible. En los motores

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Diesel, como la mezcla aire-combustible se realiza al pulverizar este a alta presión en el interior de los cilindros, la volatilidad del combustible no tiene gran importancia y se puede utilizar, en consecuencia, combustibles más pesados y de menor calidad. El más utilizado es el gasoil. Una desventaja no desdeñable es que al no usar combustibles vaporizables no existe peligro de incendio, cualidad que se aprovecha -

sobre todo en motores para usos agrícolas. Hasta la aparición de los motores Otto de inyección, el sistema de alimentación Diesel tenía la ventaja de que al suministrar en cada momento la cantidad justa de combustibles según las necesidades de marcha, no se producía derroche en los mismos por mezclas

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excesivamente ricas ni pobres. Además, como en los Diesel en el interior del cilindro se quema todo el combustible, no hay producción de gases tóxicos y, como consecuencia, la contaminación atmosférica es menor. Sin embargo, necesitan una gran precisión en la construcción de la bomba de inyección y un filtrado muy

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riguroso del combustible para que no se obstruyan los inyectores. El consumo de combustible en los motores depende esencialmente de la relación de compresión, de la forma de realizar la carburación y del llenado de los cilindros. Estos factores varían notablemente e ambos tipos de motores y determinan la diferencia de consumo existente entre ellos. Cuanto más elevada sea la relación de compresión, mayor es el rendimiento térmico y, por lo tanto, también lo es el aprovechamiento de la energía calorífica del combustible. Esto significa que, a igualdad de potencia, el consumo de combustible es menor cuanto mayor sea la relación de compresión. En los motores Diesel el bajo consumo de combustible se debe, fundamentalmente, al alto grado de compresión con que trabajan. En los motores Otto la relación de compresión está muy por debajo del límite crítico, porque está limitado por la temperatura de la cámara de combustión al término de la compresión, que no debe superar el valor de autoinflamación de la mezcla. Para incrementar el grado de compresión, los constructores trabajan en la aplicación de nuevas tecnologías que permitan elevarlo y reducir, por lo tanto, el consumo del

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motor. Los estudios en cuestión se encaminan a conseguir culatas de material de mayor conductividad térmica, para facilitar la evacuación de calor, a la mejora del diseño de las cámaras de combustión y al empleo de combustibles capaces de soportar mayores temperaturas sin auto -

encenderse. Debido al tiempo disponible para realizar la mezcla, unos 360° de giro del cigüeñal, y al poco peso de sus elementos móviles, los motores de tipo Otto no tiene grandes limitaciones para alcanzar un elevado número de revoluciones. En la práctica están limitados por fuerzas de inercia y por rozamientos, que crecen con el cuadrado de la velocidad. La velocidad de régimen alcanzada por los motores de encendido por chispa, puede llegar a alcanzar incluso 17000 r.p.m. En los motores Diesel, sin embargo, la velocidad de régimen está limitada por el corto tiempo de que disponen para la formación de la mezcla en el interior de sus cilindros, unos 30° máximo, lo cual limita la velocidad de los mismos llegándose en los motores más rápidos a un régimen que aún hoy supera

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las 6000 r.p.m. Además, con los motores Otto tienen un menor peso muerto, son más ligeros y más económicos.